Gestaltung und Auslegung eines montierbaren Einsatzes zur Druckmessung an der heißen Oberfläche eines Wiedereintrittsfahrzeuges

Abstract

Für Wiedereintrittsfahrzeuge kann ein sogenanntes Flush Air Data System (FADS) zur Steuerung und Regelung verwendet werden, bei dem über Druckmessungen die benötigten Daten wie Steigrate, Anstellwinkel, Geschwindigkeit etc. während des Wiedereintritts in Echtzeit bestimmt werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dafür ein C/C-SiC-Einsatz zur Druckweiterleitung ins Fahrzeuginnere entworfen, der an der heißen Oberfläche eines Wiedereintrittsfahrzeuges montiert wird. Da die Drucksensoren aus Platzmangel sowie der hohen auftretenden Temperaturen nicht direkt an der heißen Oberfläche oder dem C/C-SiC-Einsatz befestigt werden können, muss der Druck über Rohrleitungen zu den Sensoren im Fahrzeuginneren weitergeleitet werden. Für den Anschluss dieser Rohrleitungen an den Einsatz wurde eine Lösung konstruktiv entwickelt, die die unterschiedlichen Temperaturdehnungen von C/C-SiC und Metall ausgleicht und damit die Dichtheit der Verbindung über einen weiten Temperaturbereich sicherstellt. Um an der Verbindungsstelle die, durch das verwendete Inconel 600 gegebene, Maximaltemperatur von ca. 1000C einzuhalten, wurden für den Einsatz Thermalanalysen in ANSYS durchgeführt. In diesen Thermalanalysen konnte zum Einen der erwartete Wärmestrom für den ballistischen Wiedereintritt der EXPERT-Kapsel, mit einem kurzen Maximum des Wärmestroms von über 1,4 MW/qm, und zum Anderen der Wärmestrom des auftriebsgestützten Wiedereintritts des bemannten Kliper-Flugkörpers, mit einem mehrere Minuten anhaltenden Maximum von ca. 0,8 MW/qm, genutzt werden. Mit den Ergebnissen dieser Analysen konnten die Abmessungen des Einsatzes hinsichtlich der Temperaturbeschränkung durch das Inconel 600 festgelegt werden. Für die Verbindung von C/C-SiC-Einsatz und Inconel 600 wurde ein Demonstrator entwickelt und in einer Vakuumkammer des DLR für Temperaturen bis 1000°C getestet. Dabei konnte das Funktionsprinzip des erarbeiteten Ansatzes verifiziert und, für die Beurteilung der Dichtheit, bei einem Vakuumdruck von 5 mbar eine temperaturabhängige Leckrate im Druckbereich bis 100 mbar bestimmt werden.